硝酸钾改性及其在烟火药中的应用.pdf

3 8 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第4 0 卷第5 期 硝酸钾改性及其在烟火药中的应用 王军冯亚明 湖南南岭民用爆破器材股份有限公司 湖南永州，4 2 5 2 0 2 [ 摘要] 通过添加改性剂，在真空结晶的条件下对硝酸钾进行了改性处理，使硝酸钾的堆积密度由0 ．9 e c m ’ 降低到0 ．7 9 ／c m 3 ，改善了硝酸钾的抗结块性。实验证明改性后的硝酸钾用于烟火药中，烟火药的吸湿率由0 ．1 0 ％ 降低到0 ．0 6 ％，鞭炮的烧成率由8 2 ％提高到8 8 ％，声级值由9 8 ．3 d B 提高到1 0 1 ．5 d B 。 [ 关键词]烟火药硝酸钾改性堆积密度氧化剂重结晶 【分类号] T J 5 3T Q 5 6 7T Q l 3 1 ．1 3 引言 硝酸钾为无色透明斜方或菱形晶体，白色粉末， 极易溶于水，该产品在烟火药中主要用作氧化剂。 由于硝酸钾在潮湿的空气中仍然具有吸湿性和结块 性，因此在烟火药应用方面受到了不少限制。上个 世纪9 0 年代，由于膨化硝酸铵的出现⋯，改善了硝 酸铵的吸湿性和抗结块性【2J 。前几年很多研究人 员通过对表面活性剂的应用研究，改善了无机盐的 吸湿性和抗结块性[ 3 。】。 笔者对硝酸钾进行了类似的处理，得到了重结 晶的改性硝酸钾，较好地改进了硝酸钾的性能，尤其 是吸湿性和抗结块性有了较大的改善，对延长烟火 药的储存期起到了很大的作用。 1 硝酸钾的改性方法 称取7 0 0 9 硝酸钾、3 0 0 9 水、1 ．4 9 改性剂，加热 到1 0 0 1 2 0 ℃进行溶解，溶液在真空度为一0 ．0 8 5 一一0 ．0 9 8 M P a 条件下，减压干燥5 2 0 r a i n 。重结晶 后生成一种具有大量微气孔的改性硝酸钾。 改性剂为一种复合的表面活性剂，不但起发泡 的作用，而且是一种晶型的改良剂【2 】。当硝酸钾、 改性剂全部溶解后，在1 0 0 1 2 0 ℃溶液中处于沸腾 状态，在溶液内部产生的大量蒸气发生激烈的鼓泡、 翻滚，并且在表面活性剂的作用下产生大量气泡。 随着气泡的上升、膨胀、破裂，水蒸气排除，又被不断 产生的气泡提升。上述过程不断进行，溶液中结晶 物比例会不断增高，粘度增加，进而形成多孔多气泡 的重结晶体，即本文所述的改性硝酸钾。 2 改性硝酸钾与普通硝酸钾性质比较 2 ．1 堆积密度 堆积密度是指散粒材料或粉状材料．在自然堆 积状态下单位体积的质量。堆积密度的大小，与改 性效果相关，对同一种产品，在相同粒度下，堆积密 度越小则表示改性效果越好。 堆积密度的测量仪器架盘天平 感量l g 、烧 杯 容量1 0 0 m 1 、直尺 3 0 c m 。 试样的堆积密度按下式计算 堆积密度 鸩一M ， 向 式中肘。空烧杯质量，g ； 鸩盛满试样的烧杯质量，g ； 口烧杯的容积，e m 3 烧杯的容积用水 标定 。 测定后得到改性硝酸钾的堆积密度为0 ．7 g ／c a 3 ；普通硝酸钾的堆积密度为0 ．9 9 ／c m 3 。很明 显，改性硝酸钾的堆积密度比普通硝酸钾低。 2 ．2 抗结块性 由于工厂条件有限，无法给出表示抗结块性的 抗压性数据，故采用工厂的简单判断方法改性硝酸 钾在温度2 5 ℃、相对湿度9 0 ％的条件下，装入广口 玻璃瓶中，盖上瓶盖 未密封 ，放置1 年基本不结 块 目测稍微有点结团。用手指碰触很容易散开 ； 而对比存放的普通硝酸钾在相同条件下放置1 年已 经结块 用手指用力挤压也很难散开，结块比较严 重 。 由于改性硝酸钾中的改性剂是由表面活性剂组 成，生成改性硝酸钾时有一部分表面活性剂会吸附 在改性硝酸钾的表面。表面活性剂分子由两部分构 成，分子的一端为非极性亲油基；分子的另一端为极 性亲水基，当表面活性剂吸附在硝酸钾表面时，其极 ●收稿日期2 0 1 1 - 0 5 - 0 3 作者简介王军 1 9 6 8 一 ．男，工程师，从事民用爆破器材、烟火药的研发、生产和应用 通讯联系人冯亚明 1 9 7 5 一 ，男，工程师，从事民用爆破器材、烟火药的研发、生产和应用。E - m a i l f e n g y a m i n 9 1 9 7 5 s i n a ．c o r n 万方数据 2 0 1 1 年l O 月硝酸钾改性及其在烟火药中的应用王军等 性亲水基的一端朝向硝酸钾颗粒，而非极性亲油基 的一端朝外，形成一层憎水膜，起到防止吸水的作 用，使硝酸钾与大气中的水分交换受到阻碍，从而抑 制了硝酸钾表面的溶解和重结晶过程，大大减轻了 硝酸钾的结块性。另外包覆在晶体表面的这层疏水 膜也在颗粒之间起到机械隔离效果。因此改性硝酸 钾具有一定的抗结块性。 3 改性硝酸钾在烟火药中的应用 3 ．1 烟火药吸湿率 测量仪器光电分析天平 感量0 ．0 0 0 0 1 9 、培 养皿 9 0 r a m 把改性硝酸钾和普通硝酸钾分别粉碎 9 5 ％以 上过8 0 目筛网 ，按硝酸钾硫磺铝粉珍珠岩 1 0 ．0 4 ．0 4 ．0 0 ．5 的比例，分别用改性硝酸 钾和普通硝酸钾配成烟火药。分别取样约5 9 ，敞开 放置在培养皿中，然后放人恒温干燥箱，温度设定为 5 5 6 0 ℃，烘2 h 后取出，放入干燥器中冷却l h 。用 光电分析天平分别称取约5 9 试样，质量记为G 。 精 确到0 ．0 0 0 0 1 9 ，放人干燥的培养皿中 培养皿质量 记为c 2 ，精确到0 ．0 0 0 0 1 9 ，然后在温度2 5 ℃、相对 湿度9 0 ％的条件下，敞开放置2 4 h 。再用光电分析 天平分别称取总质量，记为G ， 精确到0 ．0 0 0 0 1 9 。 平行测定3 次。 烟火药试样的吸湿率按下式计算 吸湿率 G 3 一C 2 一C 1 ／a l 1 0 0 ％ 式中c 。干燥的烟火药试样质量，g ； C 2 空培养皿质量，g ； G 3 吸湿后的烟火药试样与培养皿质量 之和，g 。 由表l 可知，改性硝酸钾配制的烟火药吸湿率 比普通硝酸钾降低了不少。由于改性硝酸钾中的改 性剂是由表面活性剂组成，生成改性硝酸钾时有一 部分表面活性剂会吸附在改性硝酸钾的表面，从而 降低了硝酸钾的吸湿性。因此显著改善了含改性硝 酸钾的烟火药吸湿性。 表1 含改性硝酸钾和普通硝酸钾的 烟火药吸湿率比较 ％ 烟火药 l 23 平均值 0 ．0 6 0 ．0 5 0 ．0 60 ．0 6 O ．1 0 0 ．0 9O ．1 0O ．1 0 含改性硝酸钾 含普通硝酸钾 3 ．2 鞭炮烧成率 烧成率的定义为产品燃放后，统计烧成数占燃 放总数的百分数。 把改性硝酸钾和普通硝酸钾分别粉碎 9 5 ％以 上过8 0 目筛网 ，按硝酸钾硫磺铝粉珍珠岩 1 0 ．0 4 ．0 4 ．0 0 ．5 的比例。分别用改性硝酸 钾和普通硝酸钾配成烟火药，制成鞭炮，单个鞭炮烟 火药的质量为0 ．2 9 ，各燃放5 0 个鞭炮，改性硝酸钾 制成的鞭炮烧成率为8 8 ％，普通硝酸钾制成的鞭炮 烧成率为8 2 ％。结果表明，在烟火药中，改性硝酸 钾制成的鞭炮烧成率比普通硝酸钾要高。 3 ．3 鞭炮的声级值 把改性硝酸钾和普通硝酸钾分别粉碎 9 5 ％以 上过8 0 目筛网 ，按硝酸钾硫磺铝粉珍珠岩 1 0 ．0 4 ．0 4 ．0 0 ．5 的比例，分别用改性硝酸 钾和普通硝酸钾配成烟火药，制成鞭炮，单个鞭炮烟 火药的质量为0 ．2 9 。各燃放l O 个鞭炮，按照标准 Q B ／T1 9 4 2 - - 9 4 的测试方法，用分贝仪 又叫声级 计，型号D 1 q 1 5 ，品牌C E M 华盛昌 测得鞭炮的 声级值见表2 。 表2 改性硝酸钾和普通硝酸钾制作的 鞭炮声级值比较 d B 由表2 可知，改性硝酸钾制成的鞭炮平均声级 值为1 0 1 ．5d B ；普通硝酸钾制成的鞭炮平均声级值 为9 8 ．3d B 。可见，在烟火药中，改性硝酸钾的使用 效果优于普通硝酸钾。 3 ．4 改性硝酸钾配制成的烟火药储存期 把改性硝酸钾和普通硝酸钾分别粉碎 9 5 ％以 上过8 0 目筛网 ，按硝酸钾硫磺铝粉珍珠岩 1 0 ．0 4 ．0 4 ．0 0 ．5 的比例，分别用改性硝酸 钾和普通硝酸钾配成烟火药，敞开放置不同时间，然 后分别制成鞭炮，单个鞭炮烟火药的质量为0 ．2 9 ， 各燃放5 0 个鞭炮，比较不同放置时问的烟火药制成 鞭炮的烧成率及声级值，结果见表3 、表4 。按照烟 火药吸湿率测定方法，分别测定不同放置时间的烟 火药吸湿率，结果见表5 。 由表3 、表4 、表5 的数据可以推断在同等储存 条件下，储存相同的时间，改性硝酸钾配制成的烟火 万方数据 4 0 爆破器材E x p l o s i v eM a m d a l 8 第4 0 卷第5 期 表3不同放置时间的烟火药制成鞭炮的种含有大量微气孔的重结晶改性硝酸钾，该产品的 烧成率比较 ％堆积密度仅0 ．7 9 ／c m 3 ，比普通硝酸钾低。改性硝酸 _ i 雨荪雨仄广夏函莉孬r 1 磊磊西r 钾的抗结块性好，应用于烟火药中，改善了烟火药的 9 06 85 4 吸湿率和鞭炮烧成率，可以提高一些鞭炮声级值和 鲤塑储存期。相信随着研究的不断深入，改性硝酸钾必 _ _ _ I _ ●_ _ - - o ●_ - _ - _ _ _ l _ - ’- - - ●●I _ - - - _ _ l _ - ●_ - - I _ - 一⋯⋯⋯⋯m ⋯⋯1 ⋯⋯⋯，’⋯⋯’。⋯o 一 表4 不l 习放翟黧掣成鞭炮的⋯ 将得到更加广泛的嚣文献 生竺竺兰竺 竺[ 1 】惠君明，刘祖亮，蒿春≥二．；状硝铵炸药及其制备 _ _ - - _ - _ - _ - - _ - _ _ _ - - 一 l‘l忍7 F j ’7 J ●／、1L 1 1J n o H ’H7 R ●q ‘’W 。v 、p n 材～，，M ，、⋯田 笪壹堕回￡墼丝垡璧塑董望堕墼塑 方法中国，9 1 1 0 7 0 5 1 ．6 [ P 】．1 9 9 2 1 2 ．1 6 ． 9 0 1 5 2 7 4 5 [ 2 ] 惠君明．膨化硝酸铵的制备技术[ J ] ．火炸药学报， 竺翌垒箜 一2 0 0 0 。2 3 2 1 6 ．1 9 ． ●■■_ ■●■■_ _ _ _ _ _ _ ●_ _ _ ■■■_ ’- ■■o _ ■■●■●●o ■●■■■■■o o ‘■■_ ■■■■■■■■■o _ _ ●■■■■●o _ ●_ _ o _ _ _ _ ■’_ _ _ _ - - _ _ _ _ ■‘_ _ ■■■■■■o ●一 ，●‘ 表5不同放置时间的烟火药吸湿率 ％ [ 3 ] 王钟鸣，谭光熏沈敦瑜，等表面活性剂防止无机盐 储存时间／d 含器翕瑟雾钾含嚣荔雯雾钾 [ 4 ] 张杰。杨荣杰，刘云飞．硝酸铵的吸湿性研究[ J ] ．火 1 万五夏■1 五i 一 炸药学报，2 0 0 1 ，2 4 3 2 2 之生 ⋯ 1 5 00 ．3 40 ．5 2 [ 5 ] 陈天云，吕春绪表面活性剂和添加剂降低硝酸铵的 药的以上主要性能优于普通硝酸钾配制成的烟火 [ 6 ] 李桂芝，于文锦表面活性剂用于无机盐防结块[ J ] 药。因此，改性硝酸钾可以延长一些烟火药的储存 化学工程师, 1 9 8 9 2 8 - 1 0 ． 期。 [ 7 ] 叶志文表面活性荆改善硝酸铵吸湿性研究[ J ] 精细 一硅谁 化工，2 0 0 1 ，1 8 2 7 0 - 7 1 通过添加改性剂，在真空结晶的条件下得到一 M o d i f i e dP o t a s s i u mN i t r a t ea n dI t sA p p l i c a t i o ni nF i r e w o r kP o w d e r f r o m0 ．9 9 ／c m ’t o0 ．7 f ／c m 3t I l r o u g ht h ea d d i t i o no fm o d i f i e r s ，w h i c hi m p r o v e dt h ea b i l i t yo fc a k i n gr e s i s t a n c e ．R e s u l t so f 2 0 1 1 年新型高能炸药发展前沿学术研讨会J i l l l t l 举行 2 0 0 1 年新型高能炸药发展前沿学术研讨会于8 月1 1 日一1 4 日在西宁隆重召开。此次会议由中国兵工学会火炸药专业 委员会、南京理工大学共同主办，并由南京理工大学承办。来自兵科院、北方特化集团、兵器工业出版社、北京理工大学、南京 理工大学、中北大学、西南科技大学、中科院上海有机所、中物院化材所、2 0 4 所、8 0 5 厂、3 7 5 厂等单位的6 0 余名专家与领导参 加了大会。 中国兵工学会火炸药专业委员会副主任委员、南京理工大学化工学院院长刘大斌主持了大会，中国兵工学会火炸药专业 委员会主任委员、北京理工大学副校长杨宾代表主办单位致开幕词，兵科院副总工程师张肃平莅临大会并讲话，南京理工大 学学术中心副主任刘爱华代表承办单位讲话。会上，来自南京理工大学的吕春绪教授、惠君明教授、2 0 4 所的王晓峰研究员、 中物院化材所的黄亨建研究员、北京理工大学的陈树森教授等专家就火炸药领域的学科发展、基础研究、创新、探索、应用技 术和研究成果等作了特邀专题报告。此外，陆明教授、刘祖亮研究员、蔡春教授、潘仁明研究员及易文斌副教授等还就该领域 的一些研究进展作了交流。 本次大会得到了火炸药行业诸多专家和领导的亲切关怀和大力支持，他们倾心血于火炸药事业，硕果累累。并亲临大会 指导。与众多火炸药科技工作者进行研讨、交流、畅谈，为此次大会的顺利召开出谋献策。 邓吉平 万方数据